2021年6月11日Science期刊精华

2021年6月12日讯/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊（2021年6月11日）发布，它有哪些精彩研究呢？让小编一一道来。

图片来自Science期刊。

1.Science：利用RNA-SPLIT技术揭示Xist RNA的动态变化
doi:10.1126/science.abe7500

哺乳动物中的X染色体失活（XCI）使得XX雌性相对于XY雄性的X连锁基因表达水平相等。XCI过程由非编码RNA Xist（X 染色体失活特异性转录物）控制，它在需要失活的X染色体中表达，在那里顺式积累并招募基于染色质的基因沉默所需的因子。顺式限制在单个染色体区域的分子基础尚不清楚，但人们认为这涉及特定的Xist RNA结合蛋白（例如CIZ1和SPEN）与核蛋白支架之间的相互作用。

为了更好地了解Xist RNA的独特和不寻常的行为，来自英国牛津大学的研究人员在一项新的研究中，开发出RNA-SPLIT（sequential pulse localization imaging over time, 时间序列脉冲定位成像）：一种在经历XCI的细胞中对单个Xist分子进行时间分辨成像的方法。他们利用BglG/Bgl茎环系统来标记特定的RNA和一种BglG-HaloTag融合蛋白。在活细胞（用多西环素诱导的Xist RNA进行改造的小鼠XX胚胎干细胞）中用不同的荧光HaloTag配体连续脉冲，使得他们能够使用超分辨率三维结构照明显微镜（3D-SIM）对单一Xist RNA分子进行时间分辨率成像。相关研究结果近期发表在Science期刊上，论文标题为“Time-resolved structured illumination microscopy reveals key principles of Xist RNA spreading”。

RNA-SPLIT可以对Xist RNA定位和相关RNA结合蛋白的作用进行功能分析，图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abe7500。

与以前的工作一致，这些作者观察到每个细胞由大约50到100个Xist分子组成的区域（下称Xist区域）。他们确定了诱导后1.5至5小时的时间窗口，在此期间，他们可以定量确定Xist分子在Xist区域内的逐渐增加，被称为扩展阶段（expansion phase）。一个较晚的时间点（诱导后24小时）被作为稳态下Xist RNA行为的代表。RNA-SPLIT的应用使他们能够测量这两种阶段中Xist RNA动态的关键参数。在扩张期和稳定期，Xist分子分别大约每2或4小时周转一次。通过多西环素冲刷抑制Xist转录，导致Xist RNA稳定性明显增加，这表明存在一种反馈机制来平衡转录和周转率。他们观察到在扩展阶段Xist RNA区域的径向逐渐扩大，估计速度为每小时8立方微米。径向扩大在稳定状态下并不明显，这表明一旦建立了X染色体失活，Xist RNA分子就会以一种更随机的方式定位。RNA-SPLIT进一步显示，新合成的Xist分子主要定位于存在预先合成的Xist分子的位点---他们称之为耦合（coupling）。

这些作者扩展了他们的分析，以探究剔除CIZ1和SPEN的影响，这两个因子与Xist RNA的定位和顺式限制有关系。CIZ1的功能丧失导致Xist RNA在分化的细胞中广泛的核散布，这会增加Xist RNA的转录水平和稳定性。尽管Xist RNA广泛分散，但之前合成和新合成的Xist分子的耦合仍然保留。SPEN的功能丧失导致了Xist RNA长距离定位存在重大缺陷，降低了Xist RNA的稳定性，并破坏了Xist RNA的偶联。SPEN在Xist RNA行为中的功能与它在XCI中基于染色质的基因沉默中的功能在遗传上是可分离的。

综上所述，RNA-SPLIT的开发使得XCI建立过程中单个Xist分子的空间定量分析成为可能。这种方法的应用揭示了Xist RNA行为（包括对Xist周转和转录的反馈控制、Xist RNA扩散的动力学以及之前合成和新合成的Xist分子的耦合）的基本原则。除了这些见解之外，RNA-SPLIT还促进了人们对CIZ1和SPEN因子如何影响Xist RNA行为和定位的不同方面的理解。

2.Science：天文学和病理学的结合可以预测PD-1阻断治疗癌症的有效性
doi:10.1126/science.aba2609

新的疗法已经被设计为刺激宿主的免疫系统来对抗癌症。尽管近期取得了令人振奋的成功，但仍有很大一部分患者对抗PD-1疗法或抗PD-L1疗法没有反应，因此，选择患者的生物标志物来预测预后是非常理想的。美国食品药品管理局（FDA）批准的唯一的抗PD-1或抗PD-L1疗法的组织病理学生物标志物测试是通过免疫组织化学的方式评估PD-L1蛋白的表达。这种方法是单维的，有其局限性。肿瘤微环境（TME）的新特征聚焦于单细胞水平上的多维、空间分辨率的相互作用，这将为治疗反应提供关键的机理见解，并有可能识别出改进的生物标志物用于患者筛选。在一项新的研究中，来自美国约翰霍普金斯大学和耶鲁大学医学院的研究人员使用多光谱方法对肿瘤微环境进行成像，用细胞代替恒星和星系，将为天文学开发的方法和基础设施应用于对来自黑色素瘤患者的样本进行病理学分析。相关研究结果发表在2021年6月11日的Science期刊上，论文标题为“Analysis of multispectral imaging with the AstroPath platform informs efficacy of PD-1 blockade”。

下一代的病理分析将需要能够原位表征特定细胞亚群上的关键分子的共同表达以及肿瘤细胞和多种免疫成分之间的空间关系的平台。为此，这些作者将用于高质量成像和建立关系数据库的天文算法应用于病理样本的多重免疫荧光（multiplex immunofluorescence, mIF）标记，从而促进了对宿主-肿瘤界面的空间分析和免疫结构表征。总的来说，他们在来自98名接受抗PD-1治疗的黑色素瘤患者的肿瘤组织中单独或组合地探索并协调绘制了6种标志物。这个数据集包含大约127400幅由1亿多个单细胞组成的图像马赛克（image mosaics）。这些数据输出与患者的临床结局相联系，以一种与临床相关的方式告知癌症如何逃避免疫系统，并为开发用于精准免疫疗法的生物标志物测试方法提供动力。

这项研究中使用的成像方案被用来解决有关高功率场采样策略对生物标志物性能影响的悬而未决的问题。这种信息随后被用于开发一种独立于操作者的场选择方法。这些图像处理策略也促进了对不同类型细胞的PD-1和PD-L1原位表达强度（阴性、低、中和高水平）的有力评估。因此，通过仅使用六种标志物（PD-1、PD-L1、CD8、FoxP3、CD163和Sox10/S100），他们就能够开发出这些分子的41种表达模式组合，并将相对罕见的细胞（如CD8+FoxP3+细胞）定位到肿瘤基质边界。

3.Science：釜底抽薪！抑制细菌硫化氢产生可阻止抗生素耐受性和抗药性产生
doi:10.1126/science.abd8377; doi:10.1126/science.abj3062

抗生素耐受性（antibiotic tolerance）是细菌在正常致死水平的抗生素下存活的先天能力。在一项新的研究中，来自美国和俄罗斯的研究人员发现信号分子硫化氢（H2S）在抗生素耐受性中起着关键作用。相关研究结果发表在2021年6月11日的Science期刊上，论文标题为“Inhibitors of bacterial H2S biogenesis targeting antibiotic resistance and tolerance”。

这项研究围绕着抗生素耐受性展开。抗生素耐受性与抗生素抗药性（antibiotic resistance）不同。抗生素抗药性指的是细菌物种碰巧获得了一种帮助它们抵抗抗生素治疗的基因变化。在一种防御机制中，具有抗生素耐受性的细菌，也被称为 “存留菌（persister）”，停止繁殖（增殖），减少它们的能量使用（代谢）以在抗生素治疗中生存，但在治疗结束时恢复生长。存留菌在生物膜（生活在坚韧的聚合物基质中的细菌菌落）中大量存在，这进一步阻止了它们的根除。

筛选出的细菌CSE抑制剂化学结构及其实验结果，图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abd8377。

在之前的工作中，Nudler及其团队已发现，硫化氢产生是被一系列细菌物种用来对抗生素，包括在医院感染中普遍存在的两种越来越多的抗生素抗药性病原菌：金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌。金黄色葡萄球菌是革兰氏阳性菌，而铜绿假单胞菌是革兰氏阴性菌。这两种病原菌外层的不同结构均表明，硫化氢产生可以保护整个细菌王国中的病原菌。

值得注意的是，Nudler团队还已发现这两种病原菌都依赖相同的酶---胱硫醚γ-分解酶（cystathionine γ-lyase, CSE）---来生产大部分的硫化氢。Nudler说，阻断它的作用将是一种破坏抗生素抵御作用的重要方法，但现有的CSE抑制剂对细菌CSE的效力很低，而且很可能在人体组织中引起副作用。

为了找到更好的抑制剂，Nudler团队在这项新的研究中获得了金黄色葡萄球菌CSE的X射线结构，并利用它对数百万种类似药物的化合物进行“虚拟筛选（virtually screen）”，寻找那些具有正确形状和特性的化合物，以阻止该酶的作用而不产生副作用。他们筛选出先导化合物NL1、NL2和NL3：它们能抑制这种细菌CSE，阻止金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌产生硫化氢，并增强不同类别的杀菌性抗生素的效果。此外，在金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌感染的小鼠模型中，NL1增加了抗生素杀灭细菌的效力。

4.Science：揭示细胞利用它的DNA含量控制自身的大小
doi:10.1126/science.abb4348

自从350多年前科学家们在显微镜下发现细胞以来，他们已经注意到每种类型的细胞都有一个特有的尺寸。从微小的细菌到几英寸长的神经元，尺寸对细胞的工作方式很重要。然而，这些生命的组成部分如何调节自身大小的问题仍然是一个谜。如今，我们对这个长期存在的生物学问题有了新的解释。在一项专注于植物生长锥（growing tip）的研究中，来自英国和西班牙的研究人员发现，细胞使用它们的DNA含量作为一个内部标尺来评估和调整它们的大小。相关研究结果发表在2021年6月11日的Science期刊上，论文标题为“Cell size controlled in plants using DNA content as an internal scale”。

在这项新的研究中，这些作者仔细跟踪了分生组织细胞在一段时间内的生长和分裂。他们发现，虽然细胞可以以不同的大小开始它们的生命，但当它们准备好复制它们的DNA时（细胞分裂之前的一个必要步骤，因为每个新细胞都需要自己的DNA拷贝），细胞大小的大部分初始变化都已得到校正。

他们随后监测了一种名为KRP4的蛋白质，其作用是延迟DNA复制的开始，并发现无论初始大小如何，细胞出生时总是带有相同数量的KRP4。这意味着，当一个细胞出生时太小，它就会接收到较高浓度的KRP4，从而延迟其DNA复制的进程，使它有时间赶上其他细胞的相同大小。相反，如果一个细胞出生时太大，KRP4就会被稀释，这样它就能迅速进入下一个阶段，而不会进一步生长。随着时间的推移，这使分生组织细胞保持在一个狭窄的大小范围内。

但是，是什么确保了细胞一开始就有相同数量的KRP4呢？事实证明，当细胞分裂时，KRP4 “搭乘”DNA，DNA以相同的拷贝传递给每个新生细胞。这样一来，KRP4的初始数量就与细胞的DNA含量成正比。为了确保KRP4在母细胞中的积累与DNA含量成比例，任何未与DNA结合的多余KRP4在细胞分裂前被另一种称为FBL17的蛋白质破坏。数学模型和使用具有不同数量的这些遗传成分的基因编辑突变体证实了这一机制。

Sablowski教授解释了这一过程，“我们必须解决的一个谜题是，当细胞的大多数成分在数量和大小上一起增加时，细胞如何能够知道它生长了多少，因此它们不能被用作测量细胞大小的固定标尺。一个例外是DNA，它以离散的数量存在于细胞中---它的数量在细胞分裂前正好翻倍，但它不随细胞的生长而变化。”

5.Science：新研究揭示病毒进化的奥秘
doi:10.1126/science.abg2822

毒无处不在，是具有全球影响的病原体。在一项新的研究中，来自瑞士苏黎世联邦理工学院、英国约克大学和利兹大学的研究人员对病毒进化的早期阶段有了新的认识。他们的发现对未来的病毒治疗有影响。具体而言，他们研究了由一种细菌酶组成的核衣壳（nucleocapsid）的结构、组装和进化。他们详细描述了这种可形成多聚体球笼（spherical cage）的细菌酶在结构上如何转变为更大的蛋白核衣壳。相关研究结果发表在2021年6月11日的Science期刊上，论文标题为“Evolution of a virus-like architecture and packaging mechanism in a repurposed bacterial protein”。

在一项定向进化实验中，一种在细菌中自然存在的蛋白外壳被进化成一种可以封装RNA的蛋白核衣壳，从而模拟了先前在病毒中发现的基因组包装机制。图片来自ETH Zürich / Stephan Tette。

他们还发现，在进化的后期阶段，这些核衣壳中的遗传物质的包装变得更加有效。他们表明，这是因为核衣壳内的基因组进化出包括COVID-19在内的天然病毒广泛使用的一种机制的特征，以调节它们的组装。该机制是他们共同发现的。约克大学数学系和生物系的ReidunTwarock教授说，“利用我们在约克大学和利兹大学开发的一种新型跨学科技术，我们能够证实这个人工核衣壳系统进化出‘病毒组装机制’的分子特征，使它的遗传物质得到有效包装。”在进化过程中，这种人工病毒样颗粒有效地包装和保护了它自身编码的信使RNA（mRNA）的多个拷贝。

利兹大学阿斯特伯里结构分子生物学中心的Peter Stockley教授说，“令人瞩目的是这种人工病毒样颗粒在进化过程中能更有效地包装遗传物质mRNA。我们的合作表明，在进化步骤之后，被包裹的mRNA比起始RNA整入了更多的包装信号。换句话说，我们在天然病毒中一直研究的这种现象在人工病毒样颗粒中‘进化出’了，因此这篇论文的结果描述了一种可能在病毒早期进化中发生的过程。这种理解使我们能够利用这种核衣壳作为基因治疗的递送工具。”

6.Science：科学家在小鼠大脑中发现两种新型的胶质细胞
doi:10.1126/science.abg8467; doi:10.1126/science.abj1139

成年小鼠的脑室-室下区（V-SVZ，ventricular-subventricular zone）中静息神经干细胞（NSCs，Quiescent neural stem cells）经过激活后能产生神经元细胞和一些胶质细胞。近日，一篇发表在国际杂志Science上题为“Release of stem cells from quiescence reveals gliogenic domains in the adult mouse brain”的研究报告中，来自瑞士巴塞尔大学等机构的科学家们通过研究刺激神经干细胞从休眠状态醒来后发现了两种新型的胶质细胞（glial cells）。

文章中，研究人员重点对小鼠大脑中的休眠干细胞进行了研究，此外，在同一篇杂志的另外一篇展望文章中，来自北卡罗来纳大学的研究人员概述了母乳动物大脑中休眠干细胞的一些研究成果，并描述了他们所取得的一些工作成绩。研究者表示，在子宫内的发育过程中，哺乳动物大脑的神经干细胞会发生快速分裂，随后大部分转变为静息状态，其中很大一组神经干细胞会“定居”在大脑的脑室-室下区中，同时其会作为悬挂在第一和第二脑室外壁上的细胞而存在。

此前研究结果表明，有时定居在脑室-室下区中的一些休眠干细胞会激活，从而导致成熟神经元细胞或胶质细胞的发育和生长；如今科学家们进行了大量研究来揭示干细胞被激活转变成为神经元细胞的分子机制，但对于胶质细胞的研究却非常少，本文中，研究人员就通过研究试图寻找能够参与胶质细胞生成的关键因子。

该研究中，研究人员比较了小鼠大脑中被激活和休眠干细胞的转录组学特性，结果发现，休眠细胞中名为PDGFRβ的生长因子的水平较高，而且沉默休眠细胞中PDGFRβ的表达或会让其苏醒，当研究人员进行此项操作时他们发现，其中一些干细胞会成熟为两种此前并没有见过的胶质细胞——即一些不寻常类型的胶质祖细胞类型。值得注意的是，人类的大脑区域与本文研究对象的大脑区域相似，这就表明，类似类型的胶质细胞或许也会因为引入生长因子而被激活，相关研究结果或有望帮助科学家们开发新型疗法来治疗特定类型的大脑损伤。

7.Science：首个临床实验表明抗衰老化合物NMN可改善人体骨骼肌中的葡萄糖代谢
doi:10.1126/science.abe9985; doi:10.1126/science.abj0764

一种称为烟酰胺单核苷酸（nicotinamide mononucleotide, NMN）的天然化合物在啮齿类动物中的显著有益效果已导致日本、中国和美国的几家公司将这种化合物作为膳食补充剂或保健品销售。美国食品药品管理局（FDA）并未授权在膳食补充剂产品上市前对其安全性和有效性进行审查，尽管缺乏证据表明NMN对人体有临床益处，但美国和世界各地的许多人现在都在服用NMN。

在一项新的双盲临床研究（ClinicalTrial.gov NCT 03151239）中，来自美国华盛顿大学圣路易斯医学院的研究人员发现以前被证实在小鼠中可以对抗衰老和改善代谢健康的NMN对人类代谢功能有临床相关的影响。这项研究是首个探究NMN给送在人体内的代谢效果的双盲随机临床试验。相关研究结果于2021年4月22日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Nicotinamide mononucleotide increases muscle insulin sensitivity in prediabetic women”。

这项针对绝经后糖尿病前期（prediabetes，也译为前驱糖尿病）女性的小型临床试验显示，胰岛素刺激的葡萄糖清除（可通过高胰岛素-正糖钳夹技术进行评估），以及骨骼肌的胰岛素信号（AKT和mTOR的磷酸化）在NMN补充后有所增加，但在安慰剂治疗后没有变化，这意味着化合物NMN改善了胰岛素增加骨骼肌摄取葡萄糖的能力，这种能力在肥胖、糖尿病前期或2型糖尿病患者中往往是不正常的。NMN还上调了血小板源性生长因子受体β和其他与肌肉重塑有关的基因的表达。然而，这种治疗并没有降低血糖或血压、改善血脂状况、增加肝脏中的胰岛素敏感性、减少肝脏中的脂肪或减少小鼠体内的炎症循环标志物。

在参与这项临床研究的女性中，13人每天口服250毫克NMN，持续10周，12人在相同时间内每天服用无药效的安慰剂。这些作者表示，尽管这项研究显示NMN对骨骼肌有好处，但是根据这些研究结果提出任何临床建议还为时过早。在通常情况下，当一种治疗方法改善了骨骼肌中的胰岛素敏感性时，正如在减肥或一些糖尿病药物中观察到的那样，代谢健康的其他标志物也发生相关的改善，而在这项研究的参与者中，他们并没有发现这种改善。

这些作者说，这是朝着开发抗衰老干预措施迈出的一步，但还开展需要更多的研究来充分理解给送NMN在人类骨骼肌中观察到的影响的细胞机制。

8.Science：退出时间是衡量生态恢复力的指标
doi:10.1126/science.aay4895

恢复力（resilience）是研究复杂系统中关键过渡和临界点的一个重要概念，其定义是一个系统在进入另一个稳定状态之前所能忍受的干扰的大小。然而，事实证明恢复力是难以测量的。Arani等人展示了平均退出时间（系统跨越阈值所需的时间）的数学概念如何有助于解决这个问题，并描述复杂系统的恢复力。他们推导出一种模型方法来估计来自时间序列数据的退出时间，并将其应用于来自放牧植物种群模型、湖泊蓝藻数据以及更新世-全新世气候数据的例子。这种方法可能提高我们对受威胁的复杂系统的动态特性的理解。

9.Science：利用磷盐质子穿梭高效率合成氨气
doi:10.1126/science.abg2371; doi:10.1126/science.abi8329

利用电化学方法制备氨气可以大大降低与目前哈伯-博施法热法（thermal Haber-Bosch process）相关的温室气体排放。正在研究的一个相对有前途的方案涉及氮化锂的还原性形成，它可以被质子化为氨。然而，迄今为止，在这些研究中用作本地质子源的乙醇可能会在反应条件下降解。Suryanto等人报告了使用一种四烷基磷盐来代替乙醇。这种阳离子可以稳定地进行去质子化-再质子化循环，作为一个附加的好处，它可以提高这种介质的离子传导性。

10.Science：利用机器学习发现更好的人类决策理论
doi:10.1126/science.abe2629; doi:10.1126/science.abi7668

近年来，关于人类决策的理论层出不穷。然而，这些理论往往难以相互区分，在解释决策模式方面比早期的理论改进有限。Peterson等人利用机器学习来评估经典的决策理论，提高其预测能力，并产生新的决策理论。这种方法对其他领域的理论产生有影响。

11.Science：从结构上揭示HHAT介导的Hedgehog酰化机制
doi:10.1126/science.abg4998

磷脂膜是不同细胞环境之间的屏障，但也是生物合成、信号传递和运输的关键平台。在动物中，发育信号蛋白Hedgehog必须被膜包埋的Hedgehog酰基转移酶（HHAT）进行酰基修饰，才能被其受体识别。Jiang等人利用低温电子显微镜，确定了HHAT与棕榈酰辅酶A（palmitoyl–coenzyme A）或棕榈酰化肽产物结合在一起时的结构。在活性部位有两个空腔相连，使Hedgehog在内质网腔内被来自膜胞质面的脂质底物酰化。（生物谷 Bioon.com）